JP2007025480A - 高域信号補間方法及び高域信号補間装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な構成で良好な高域信号が形成され、実用的な高域信号補間を実施する。
【解決手段】 圧縮を伴うデジタルオーディオ機器から再生されたデジタルオーディオ信号が原信号として入力端子１に供給され、この原信号が解析信号を生成するための例えばヒルベルト変換回路２に供給され、解析信号の実部Ｒ及び虚部Ｉがそれぞれ独立して取り出される。さらに、実部Ｒ及び虚部Ｉはそれぞれ自乗回路３、４に供給され、それぞれ自乗された信号が加算回路５で加算され、この加算信号が平方根回路６に供給されて原信号の包絡成分が取り出される。この包絡成分には高調波成分が形成されている。そこで、平方根回路６から取り出された包絡成分の高調波部分をハイパスフィルタ（ＨＰＦ）７で取り出し、一方、入力端子１からの原信号の高域部分をローパスフィルタ（ＬＰＦ）８で除いた信号を形成し、これらの信号を加算回路９で加算して出力端子１０に出力する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えばＭＰ３のような圧縮を伴うデジタルオーディオ機器や、電話機等に使用して好適な高域信号補間方法及び高域信号補間装置に関する。詳しくは、圧縮等によって欠落している高域信号を擬似的に補間するようにしたものである。

従来の高域信号補間では、被補間信号を周波数変換することにより補間用信号を生成している（例えば、特許文献１参照。）。

また、原信号に相関のない高周波信号を加算しているものもある（例えば、特許文献２参照。）。

すなわち、高域信号補間において、従来は周波数変換により補間用信号を生成したり、原信号に相関のない高周波信号を加算したりしているものである。
特開２００４−１８４４７２号公報 特開平１−１３１４００号公報

近年、音楽等の音声を表す音声データを、インターネット等のネットワークを介して配信したり、ＭＤ（Mini Disk）等の記録媒体に記録したりして利用することが、盛んになっている。このように、ネットワークで配信されたり記録媒体に記録されたりする音声データでは、帯域が過度に広くなることによるデータ量の増大や占有帯域幅の広がりを避けるため、一般に、供給する対象の音楽等のうち一定の周波数以上の成分を除去している。

すなわち、例えば、ＭＰ３（MPEG1 audio layer 3）形式の音声データでは、約１６キロヘルツ以上の周波数成分が除去されている。また、ＡＴＲＡＣ３（Adaptive TRansform Acoustic Coding 3）形式の音声データでは、約１４キロヘルツ以上の周波数成分が除去されている。

このように高域の周波数成分が除去されるのは、人間の聴覚との関係から可聴域を超える周波数成分は不要と考えられているからである。しかしながら、上述のように高域の周波数成分が完全に除去された信号では、音質が微妙に変化し、オリジナルの音楽等に比べて音質が劣化していることが指摘されるようになってきた。

そこで上述の特許文献１、２に記載の技術では、いずれも除去された高域信号を補間するものであるが、特許文献１に記載の技術では、周波数変換のためにＤＳＰ（Digital Signal Processor）を用いるなど、複雑な回路構成が必要とされる。また、特許文献２に記載の技術では、相関のない高周波信号であるために充分な効果は得ることができないものであった。

この発明はこのような問題点に鑑みて成されたものであって、本発明の目的は、簡単な構成で、より良好な高域信号の補間が行われるようにするものである。

上記の課題を解決し、本発明の目的を達成するため、請求項１に記載された発明は、原信号の解析信号を生成し、解析信号の実部と虚部を求め、実部と虚部により原信号の包絡成分を形成し、包絡成分の高調波部分を取り出して原信号に加算することを特徴とする高域信号補間方法である。

また、本発明の目的を達成するため、請求項２に記載された発明は、入力端子に供給される原信号の解析信号を生成する手段と、解析信号の実部と虚部により原信号の包絡成分を形成する手段と、形成された包絡成分の高調波部分を取り出す手段と、取り出された高調波部分を入力端子に供給される原信号に加算する手段とを有することを特徴とする高域信号補間装置である。

さらに、請求項３に記載の高域信号補間装置においては、包絡成分を形成する手段は、解析信号の実部と虚部をそれぞれ自乗して加算し、その加算値の平方根を求める手段からなることを特徴とするものである。

請求項４に記載の高域信号補間装置においては、入力端子に供給される原信号は高調波部分が含まれないように帯域制限を行う手段を介して加算する手段に供給されることを特徴とするものである。

請求項５に記載の高域信号補間装置においては、入力端子に供給される原信号には予め高調波部分が含まれないように帯域制限が施されていることを特徴とするものである。

本発明の高域信号補間方法及び高域信号補間装置によれば、原信号の解析信号の実部と虚部を用いて原信号の包絡成分を形成し、形成された包絡成分の高調波部分を取り出して補間を行うようにしたので、極めて簡単な構成で良好な高域信号が形成され、実用的な高域信号補間を実施することができる。

以下、図面を参照して本発明を説明するに、図１は本発明による高域信号補間方法及び高域信号補間装置を適用した装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。

図１において、入力端子１には、例えばＭＰ３やＡＴＲＡＣ３のような圧縮を伴うデジタルオーディオ機器から再生されたデジタルオーディオ信号が原信号として供給される。この入力端子１に供給された原信号が、解析信号を生成するための例えばヒルベルト変換回路２に供給され、解析信号の実部Ｒ及び虚部Ｉがそれぞれ独立して取り出される。

さらに、実部Ｒ及び虚部Ｉはそれぞれ自乗回路３、４に供給され、それぞれ自乗された信号が加算回路５で加算される。そしてこの加算信号が平方根回路６に供給される。これにより平方根回路６から、原信号の包絡成分が取り出されるが、この包絡成分には高調波成分が形成されているものである。

そこで、平方根回路６から取り出された高調波部分を含んだ包絡成分をハイパスフィルタ（ＨＰＦ）７に送り、高調波成分を取り出すようにする。一方、入力端子１からの原信号の高域部分をローパスフィルタ（ＬＰＦ）８で除いた信号を形成し、これらのハイパスフィルタ７とローパスフィルタ８の出力信号を加算回路９で加算して出力端子１０に出力する。これにより、出力端子１０から、高域信号が重畳（強調）された信号が得られる。

このようにして、例えばＭＰ３やＡＴＲＡＣ３のような圧縮を伴うデジタルオーディオ機器から再生されたデジタルオーディオ信号に対して、高域信号の補間が行われる。すなわち、ハイパスフィルタ７で取り出される包絡成分の高調波部分を、高域成分の除かれた原信号に加えることにより、高域信号の補間を行うことができる。

そしてこの場合に、上述のように包絡成分に形成される高調波成分は、原信号の特性に近似したものであり、この高調波成分で補間を行うことで極めて良好な高域信号の補間を行うことができる。なお、図２のＡには補間前の信号を示し、図２のＢに補間後の信号を示している。この図２からわかるように、本発明によれば極めて良好な補間を行うことができることがわかる。

また、上述の図１に示した回路構成において、ヒルベルト変換回路２は例えば図３に示すように単位遅延回路Ｄを縦続に設け、その中間点の出力から実部Ｒを得ると共に、各段の出力をシグマ回路Σで加算することによって虚部Ｉを得る。このような回路を用いることによって、解析信号の実部Ｒ及び虚部Ｉをそれぞれ独立して取り出すことができる。

さらに自乗回路３、４及び加算回路５、９は、デジタル演算器を用いて容易に形成できる。また、平方根回路６は演算器を形成すると複雑になるが、デジタルオーディオ信号の場合は値の範囲が限られているので、例えばリードオンリーメモリを用いたルックアップテーブル等によって容易に形成することができるものである。

また、ハイパスフィルタ７とローパスフィルタ８も、ＦＩＲ（Finit-duration Impulse Response）等のデジタルフィルタによって容易に形成できる。なお、図１においては、原信号の高域部分を除くローパスフィルタ８を設けたが、入力端子１に供給されるデジタルオーディオ信号が、予めローパスフィルタを介したものであるときは無くてもよい。

さらに、上述した本発明による高域信号補間の原理は、以下のように説明される。

すなわち、一般的に包絡信号を生成する場合には、ピーク検波などの方法が採られる。しかしながらその場合には、キャリア成分以上の周波数を発生させることはできない。そこで、ヒルベルト変換を利用して解析信号を発生させることで、原信号以上の周波数の計算を可能にすることができる。

一般的には、信号の値が最大または最小になる時点を標本化しない限り振幅を正確に求めることはできないが、ヒルベルト変換を利用して解析信号を発生させ、この解析信号を用いることで任意の標本化時点の振幅を計算することができるのである。そしてこの場合の原理としては、ベクトル量を求める（sin²θ＋cos²θ＝１）の性質が利用される。

つまり、任意の時点での解析信号の実部をＸr、虚部をＸiとすれば、振幅Ａは、
Ａ＝√（Ｘr＊Ｘr＋Ｘi＊Ｘi）
となり、従って、原信号を一種の振幅変調された信号として考えると、振幅が時間と共に変化する信号であっても任意の時刻の振幅を求めることが可能となる。

この場合に、変調された信号を次式のように仮定する。
ｇ[n]＝（１+ｓ[n]）（sin[w０n]）
ここで以下の計算を簡単にするため、上式の（１+ｓ[n]）を一定とすると、この信号は、
ｇ[n]＝（１+ｓ[n]）（sin[w０n]＋ｊcos[w０n]）
となる。なお、実際にはヒルベルト変換のフィルタの次数をＭとすれば、Ｍ／２の遅延も表現する必要があるが、実部と虚部ともにＭ／２だけ遅延するとすれば、この遅延は相殺することができる。

さらに、上式の（１+ｓ[n]）≧０と仮定すると、この式で表される信号の絶対値｜ｇ[n]｜は、
｜ｇ[n]｜＝（１+ｓ[n]）＊√（sin² [w０n]＋cos²[w０n]）＝（１+ｓ[n]）
となり、従って、振幅変調されたような原信号の復調結果を得ることが可能になる。ただしこの場合に、入力信号に直流成分が含まれていると、信号は
ｇ[n]＝（１+ｓ[n]）（sin[w０n]）＋Ｃdc
となる。

そこで、この信号から得られる信号の絶対値は、Ｃdcが（１+ｓ[n]）より充分小さいものとして仮定すると、次のように近似できる。
｜ｇ[n]｜∝（１+ｓ[n]）＋Ｃdc＊（sin[w０n]）
従って、入力信号に直流成分が重畳していると、信号処理の結果には搬送波の成分が現れてしまうことになり、ハイパスフィルタでフィルタリングする必要がある。

以上の理由により、従来では高域補間を行う場合には単純な周波数スペクトルを持つ信号であっても、高域周波数へ写像されてしまうような音質劣化につながる問題点を解決し、よりピュアな高域補間を可能とすることができる。

こうして本発明の高域信号補間方法及び高域信号補間装置によれば、原信号の解析信号を生成し、解析信号の実部と虚部を求め、実部と虚部により原信号の包絡成分を形成し、包絡成分の高調波部分を取り出して原信号に加算することにより、極めて簡単な構成で良好な高域信号が形成され、実用的な高域信号補間を実施することができるものである。

なお本発明は、上述の説明した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載を逸脱しない範囲において、種々の変形が可能とされるものである。

本発明による高域信号補間方法及び高域信号補間装置を適用した装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。 その説明のための波形図である。 ヒルベルト変換回路の一実施形態の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１…入力端子、２…ヒルベルト変換回路、３，４…自乗回路、５，９…加算回路、６…平方根回路、７…ハイパスフィルタ、８…ローパスフィルタ、１０…出力端子

Claims (5)

1. 原信号の解析信号を生成し、
   前記解析信号の実部と虚部を求め、
   前記実部と虚部により前記原信号の包絡成分を形成し、
   前記包絡成分の高調波部分を取り出して前記原信号に加算する
   ことを特徴とする高域信号補間方法。
2. 入力端子に供給される原信号の解析信号を生成する手段と、
   前記解析信号の実部と虚部により前記原信号の包絡成分を形成する手段と、
   前記形成された包絡成分の高調波部分を取り出す手段と、
   前記取り出された高調波部分を前記入力端子に供給される原信号に加算する手段と
   を有することを特徴とする高域信号補間装置。
3. 請求項２記載の高域信号補間装置において、
   前記包絡成分を形成する手段は、前記解析信号の実部と虚部をそれぞれ自乗して加算し、その加算値の平方根を求める手段からなる
   ことを特徴とする高域信号補間装置。
4. 請求項２記載の高域信号補間装置において、
   前記入力端子に供給される原信号は前記高調波部分が含まれないように帯域制限を行う手段を介して前記加算する手段に供給される
   ことを特徴とする高域信号補間装置。
5. 請求項２記載の高域信号補間装置において、
   前記入力端子に供給される原信号には予め前記高調波部分が含まれないように帯域制限が施されている
   ことを特徴とする高域信号補間装置。

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